Verbesserte Membranen für platinfreie Brennstoffzellen

Anionenaustausch-Membranen Anionenaustausch-Membranen mit vielen hydrophilen Pfropfcopolymeren (oben rechts) bilden eine homogene leitende Phase und sind alkalisch stabil. Anionenaustausch-Membranen mit vielen hydrophoben Pfropfcopolymeren in der leitenden Phase (unten) bilden nanoskalige Wasserpfützen und unterliegen alkalischem Abbau. Die Membranen wurden durch 60Co-γ-Strahlungstransplantationstechnik am QST hergestellt (links oben). © QST Takasaki, Gunma, Japan

Anionenaustausch-Membranen mit vielen hydrophilen Pfropfcopolymeren (oben rechts) bilden eine homogene leitende Phase und sind alkalisch stabil. Anionenaustausch-Membranen mit vielen hydrophoben Pfropfcopolymeren in der leitenden Phase (unten) bilden nanoskalige Wasserpfützen und unterliegen alkalischem Abbau. Die Membranen wurden durch 60Co-γ-Strahlungstransplantationstechnik am QST hergestellt (links oben). © QST Takasaki, Gunma, Japan

Jülicher Forscher haben gemeinsam mit Kollegen aus Japan herausgefunden, wie sich Membranen für Brennstoffzellen verbessern lassen, die ohne seltene und teure Edelmetalle, wie Platin, auskommen. Die untersuchten Anionenaustausch-Membranen sind ein zentraler Bestandteil bestimmter Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen und dienen dazu, geladene Teilchen (Anionen) weiterzuleiten und gleichzeitig Gase wie Sauerstoff oder Wasserstoff zurückzuhalten.

Wie entsprechende Eigenschaften zu erzielen sind, bei gleichzeitig hoher Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion durch hohe Alkalität, zeigen die Forscher u.a. mit Hilfe von Neutronenstreuuntersuchungen am Instrument KWS-2 des Forschungszentrums Jülich am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum. Die Studie leistet einen Beitrag zum besseren Verständnis des Zusammenspiels zwischen Struktur und Eigenschaften der Membranen, das einmal ein rationelles Design von Membranen mit optimalen Eigenschaften ermöglichen soll.

Brennstoffzellen haben großes Potenzial, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen sowie die Schadstoffbelastung der Luft zu verringern und somit die Auswirkungen des Klimawandels zu vermindern. Bislang behindern jedoch noch einige Hindernisse ihren breiten Erfolg. Eines davon: Lange Zeit setzten Wissenschaftler und Ingenieure auf Katalysatoren auf Edelmetallbasis. Sie sind zwar effizient und stabil, aber leider auch teuer und nur in geringen Mengen verfügbar.

Brennstoffzellen, die Anionenaustausch-Membranen anstelle von Protonenaustausch-Membranen verwenden (Anion Exchange Membrane Fuell Cells, AEMFC), können dagegen auf säurebeständiges Edelmetall verzichten. Ihre Elektroden bestehen aus preisgünstigen Nicht-Edelmetall-Katalysatoren. Doch ihre Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität reichen noch nicht aus, trotz großer Fortschritte in den letzten zehn Jahre bei der Entwicklung neuer Materialien und der Optimierung des Systemaufbaus. Die größte Schwierigkeit besteht darin, dass genau die Eigenschaften, die die Membranen leistungsfähig machen, bisher gleichzeitig ihre Langzeitstabilität verringern. Den Forschern aus Jülich und Japan gelang es nun erstmals, Membranen herzustellen und zu charakterisieren, bei denen dieser Zusammenhang außer Kraft gesetzt scheint.

Anionenaustausch-Membranen bestehen üblicherweise in der Basis aus einer widerstandsfähigen, elektrisch nichtleitenden, gasundurchlässigen und wasserabweisenden Polymerschicht. Um Hydroxidionen leiten zu können, werden winzige Bereiche chemisch modifiziert. Die so entstandenen Ionenkanäle sind normalerweise weniger wasserabweisend und neigen dazu aufzuquellen. In der Folge verursacht die basische Umgebung rasch Korrosion und die Membran verliert an dieser Stelle ihre Funktionen. Da für eine hohe Leistungsfähigkeit möglichst viele Kanäle benötigt werden, sinkt normalerweise die Lebensdauer der Membran umso stärker, je leistungsfähiger sie ist.

Die nun vorgestellten Membranen stellten die japanischen Forscher des Automobilherstellers Daihatsu und des National Institute for Quantum and Radiological Science and Technology (QST) in Takasaki mittels Pfropfpolymerisation, einer von mehreren verbreiteten Methoden, her. Dabei pflanzten sie gewissermaßen Bereiche mit anderen Eigenschaften in die Membran ein. Als Pfropfen verwendeten sie hydroxidleitende Einheiten sowie wasserabweisende Einheiten in unterschiedlichem Mischungsverhältnis. Zunächst waren sie überrascht, dass mehr wasserabweisende und weniger hydroxidleitende Pfropfen zu vermehrter Wasseraufnahme und draus resultierend zu einer verstärkten Korrosion führten, und umgekehrt.

Genaue Untersuchungen der Mikrostruktur der gepfropften Membranen enthüllten jedoch die Ursache. Im ersten Fall bildeten sich an vielen Stellen kleine wasserreiche Pfützen. „Dort hat die Korrosion leichtes Spiel“, erläutert Dr. Aurel Radulescu vom Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science (JCNS). Er ist Instrumentverantwortlicher der Neutronenkleinwinkelstreuanlage, die die Forscher für diese Untersuchungen nutzten. Neutronenstreuung ist dafür besonders geeignet, weil sie, unter geeigneten Versuchsbedingungen, zwischen den Wasserstoffatomen der Membran und denen des Wassers unterscheiden kann. Eine „Kontrastvariation“ genannte Technik macht dies möglich. Dabei wird Wasserstoff in den Proben durch Deuterium, schweren Wasserstoff, ersetzt und die Proben dadurch quasi „markiert“.

Die Neutronenstreuuntersuchungen zeigten auch, dass die Lebensdauer steigt, wenn die Membran mehr hydroxidleitende Pfropfen und weniger wasserabweisende aufweist, wodurch sich das Wasser gleichmäßig verteilt. „Um neue Ionenaustauschmembranen zu entwerfen, sollte daher nicht nur ihre Zusammensetzung, sondern auch ihre Mikrostruktur beachtet werden, wie eben die Verteilung der ionischen Gruppen und des Wassers in den leitenden Bereichen“, betont Radulescu. Das deutsch-japanische Forscherteam schlägt dafür ein Modell vor, das erstmals die Verteilung der Pfropfpolymerisate in entweder leitender oder nichtleitender Phase auf quantitative Weise aufklären kann. Es lässt sich auf alle funktionellen Polymermembranen vom Pfropfentyp anwenden.

Text: Angela Wenzik / Forschungszentrum Jülich